1 Informations initiales sur les systèmes d'exploitation1.1 Nomination et fonction des systèmes d'exploitationLe système d'exploitation informatique est un complexe de programmes interconnectés qui sert d'interface entre applications et utilisateurs d'un côté et équipement informatique de l'autre côté. Le système d'exploitation effectue deux groupes de fonctions: Fournit un utilisateur ou un programmeur au lieu de l'instrument informatique réel d'une machine virtuelle étendue; Augmente l'efficacité de l'utilisation d'un ordinateur par la gestion rationnelle de ses ressources conformément à certains critères. En règle générale, l'utilisateur ne s'intéresse pas aux composants du périphérique matériel informatique, il lui semble comme un ensemble d'applications pouvant être écrites dans l'une des langues de programmation. Le système d'exploitation fournit un programmeur plusieurs fonctionnalités pouvant utiliser des programmes utilisant des commandes spéciales appelées défis du système. Par conséquent, l'application logicielle comprend de nombreux appels système requis, par exemple, de travailler avec des fichiers. Le système d'exploitation se cache du programmateur des détails matériels et fournit une interface pratique pour le système d'environnement d'exploitation. Dans le même temps, le système d'exploitation agit en tant que gestionnaire de ressources. Conformément à cette approche, le fonctionnement du système d'exploitation consiste à fournir une distribution organisée et contrôlée des processeurs, de la mémoire et des périphériques d'E / S entre différents programmes. L'exploitation du système d'exploitation présente les caractéristiques suivantes: Les fonctions du système d'exploitation fonctionnent de la même manière que le reste du logiciel - sont mises en œuvre comme des programmes individuels ou un ensemble de programmes, processus exécutables; Le système d'exploitation devrait transmettre le contrôle d'autres processus et s'attendre à ce que le processeur alloue à nouveau le temps de remplir ses fonctions. La gestion des ressources comprend la résolution des tâches communes suivantes - indépendante de la ressource: La planification des ressources - c'est-à-dire la définition du processus, quand et quelle quantité (si la ressource peut être attribuée par des pièces) devrait être attribuée à cette ressource; Satisfaction des demandes de ressources; Condition de suivi et comptabilisation de l'utilisation de la ressource - qui consiste à maintenir des informations opérationnelles sur la question de savoir si la ressource est occupée ou est gratuite et quelle part de la ressource est déjà distribuée; Résolution des conflits entre les processus. La gestion des ressources comprend leur multiplexage (distribution) de deux manières: dans le temps et dans l'espace. Lorsque la ressource est distribuée au fil du temps, divers utilisateurs et programmes l'utilisent à son tour. Au début, l'un d'entre eux a accès à l'utilisation de la ressource, puis une autre, etc. Par exemple, plusieurs programmes veulent contacter le processeur central. Dans cette situation, le système d'exploitation permet d'abord l'accès au processeur avec un programme, puis, après avoir fonctionné suffisamment de temps, un autre programme, puis à nouveau et finalement. La définition de la durée de la durée de laquelle la ressource sera utilisée à temps qui sera les suivantes et pour quelle heure il est fourni par la ressource est la tâche du système d'exploitation. Un autre type de distribution est le multiplexage spatial. Au lieu d'alterner le travail, chaque client reçoit une partie de la ressource. Habituellement, la RAM est divisée entre plusieurs programmes de fonctionnement, de sorte que tous peuvent être constamment en mémoire (par exemple, à l'aide du processeur central à leur tour). Si nous supposons que la mémoire suffit à stocker plusieurs programmes, placez plus efficacement plusieurs programmes en mémoire que d'allouer toute la mémoire d'un programme, en particulier si elle n'a besoin que d'une petite partie de la mémoire disponible. Bien sûr, il existe des problèmes de répartition équitable, de protection de la mémoire, etc., et il existe un système d'exploitation pour résoudre ces problèmes. 1.2 Historique du développement des systèmes d'exploitationHabituellement, l'histoire du développement des systèmes d'exploitation est associée à l'historique du développement des ordinateurs. La première idée de l'ordinateur a été proposée par les mathématiques anglais Charles Babbage au milieu du XIXe siècle. Ils ont développé la soi-disant "machine analytique" mécanique, quelle vérité n'a pas fonctionné correctement. Voici la génération d'ordinateurs et de leur connexion avec les systèmes d'exploitation. Première génération 1945-1955 Les ordinateurs étaient composés de lampes électroniques et de panneaux de branchement. La réalisation la plus élevée est la libération de performances cardiaques. Fabriqué à partir de carton fin, le carton représente des informations par la présence ou l'absence de trous dans certaines positions de la carte. Le système d'exploitation est manquant. Deuxième génération 1955-1965 Base de transistors ordinateurs et de systèmes de traitement par lots. Caractérisé par des ponts. Perfocar et dispositifs pour enregistrer des bandes magnétiques. Principalement programmé en Fortran et Assembleur pour le système de surveillance de la Fortran (FMS) et du système d'exploitation IBSYS. Troisième génération 1965-1980 La période est caractérisée par l'apparition de circuits intégrés, ainsi que de multitâche ou, comme il s'appelle le multiprogramme différent. IBM fabrique diverses séries de machines commençant par IBM / 360. Pour eux, le système d'exploitation OS / 360 a été écrit, qui était environ 1000 fois plus élevé que la deuxième génération FMS. À ce stade, une mise en œuvre industrielle de multitâche est une méthode d'organisation d'un processus de calcul, dans laquelle plusieurs programmes de la mémoire de l'ordinateur sont mis en œuvre simultanément sur un processeur. Autres systèmes d'exploitation bien connus de cette période CTSS (système de séparation de temps compatible) et multicomanes (informations multiplex et informatique), destiné à fournir un accès immédiatement à des centaines d'utilisateurs à une machine. Le développement ultérieur de ce système a augmenté à UNIX. Quatrième génération des années 1980 Cette période est associée à l'émergence de grands circuits intégrés. En 1974, Intel a publié le premier processeur Intel 8080 universel 8 bits. Au début des années 80, IBM a développé un ordinateur IBM - un ordinateur personnel. Dans le même temps, la première version de MS-DOS apparaît. Tous les systèmes d'exploitation développés jusqu'à ce point ne concernaient que le mode de communication de texte avec l'utilisateur. La première tentative de faire une interface graphique amicale a été mise en œuvre sur Apple Macintosh. Sous l'influence de son succès, Microsoft fournit une coque graphique pour MS-DOS - Windows. Et depuis 1995, Windows 95 a été publié, qui est devenu un système autonome. À l'avenir, sur la base de Windows 95 et d'un autre système Windows NT, les systèmes d'exploitation existants ont actuellement été développés - Windows 2000, XP, Vista et autres. 1.3 Classification des systèmes d'exploitationIl y a beaucoup de systèmes d'exploitation et tous ne sont pas connus. Les sections suivantes de divers systèmes d'exploitation au niveau du grand à petit sont considérées. Systèmes d'exploitation Mainfreum Le mainframe est un ordinateur hautes performances d'usage général avec une quantité importante de mémoire opérationnelle et externe, conçue pour effectuer des opérations informatiques intensives. Ce sont généralement des ordinateurs de taille avec une pièce et leur découverte - dans de grandes entreprises. Habituellement, les ordinateurs centraux contiennent des milliers de disques et de téraoctets de RAM. Les systèmes d'exploitation centrale sont principalement axés sur le traitement de nombreuses tâches simultanées, dont la plupart nécessitent une énorme quantité d'opérations d'E / S. Le système doit répondre à des milliers de demandes par seconde. Un exemple est OS / 390, qui s'est produit à partir du système d'exploitation de la 3e génération OS / 360. Systèmes d'exploitation du serveur Ces systèmes d'exploitation fonctionnent sur des serveurs qui représentent un ordinateur personnel, un poste de travail ou même un ordinateur central. Les serveurs permettent de travailler avec des périphériques d'impression, des fichiers ou Internet. Ces systèmes d'exploitation incluent UNIX, Linux, Windows 2003 Server, etc. Systèmes d'exploitation multiprocesseur Ces systèmes sont appliqués sur des ordinateurs avec plusieurs processeurs centraux. Ils nécessitent des systèmes d'exploitation spéciaux, mais ils sont généralement des modifications des systèmes d'exploitation du serveur. Systèmes d'exploitation pour ordinateurs personnels Le critère principal de ces systèmes est une interface pratique pour un utilisateur. Les systèmes les plus célèbres: Windows 98, 2000, XP, série Vista; Macintosh, Linux. Systèmes d'exploitation en temps réel Le paramètre principal de ces systèmes est le temps. Dans les systèmes de gestion des processus industriels, il est nécessaire de synchroniser clairement le temps de fonctionnement du convoyeur, divers robots industriels. Ceci est un système rigide en temps réel. Il existe des systèmes en temps réel flexibles - il existe des laissez-passer admissibles du fonctionnement de l'opération, tels que des systèmes multimédia. Les systèmes d'exploitation en temps réel comprennent VXWorks et QNX. Systèmes d'exploitation intégrés Celles-ci incluent des systèmes d'exploitation de «ordinateurs de poche» PDA (assistant numérique personnel - assistant numérique personnel). De plus, des systèmes embarqués fonctionnent sur des voitures, des téléviseurs, des téléphones mobiles. Dans ces systèmes d'exploitation, toutes les caractéristiques des systèmes d'exploitation en temps réel sont généralement présentes avec la restriction de la mémoire, la puissance, etc. Exemples de systèmes - Palmos, Windows CE. Systèmes d'exploitation pour cartes à puce Carte à puce - un appareil avec une taille de carte de crédit contenant un processeur central. Ces systèmes sont soumis à des limites dures pour la puissance et la mémoire. Certaines ne gèrent qu'avec une opération - paiement électronique par exemple. Les cartes à puce séparées incluent le support de la machine virtuelle Java. 1.4 Vue d'ensemble du matériel informatiqueLe système d'exploitation est étroitement lié à l'équipement informatique sur lequel il devrait fonctionner. Le matériel affecte l'ensemble des commandes du système d'exploitation et la gestion de ses ressources. L'ordinateur conceptuellement simple peut être représenté comme un modèle illustré à la figure 1. Cette structure a été utilisée dans les premiers modèles IBM PC. 
Figure 1 - Quelques composantes d'un ordinateur personnel
Sur la figure, le processeur central, la mémoire, les périphériques d'E / S sont connectés par le bus système sur lequel ils échangent des informations. CPU Le cerveau de l'ordinateur est le processeur central (unité de traitement central de la CPU). Il choisit l'équipe de la mémoire et les exécute. Le cycle d'opération de processeur habituel ressemble à ceci: la première commande de la mémoire est lue, décodée pour déterminer son type et ses opérandes, exécute la commande, puis se lit, décode les commandes suivantes. Ainsi, les programmes sont exécutés. Pour chaque processeur, il existe un ensemble de commandes qu'il est capable d'exécuter. Étant donné que l'accès à la mémoire pour obtenir des commandes ou un ensemble de données prend beaucoup plus de temps que l'exécution de ces commandes, tous les processeurs contiennent des registres de stockage internes pour stocker des variables et des résultats intermédiaires. Par conséquent, l'ensemble des instructions contient généralement des commandes pour télécharger un mot à partir de la mémoire pour enregistrer et préserver le mot à partir du registre en mémoire. Outre les principaux registres utilisés pour stocker des variables, la plupart des processeurs ont plusieurs registres spéciaux utilisés pour stocker des variables, ainsi que des registres spéciaux visibles aux programmeurs. Avec un processeur de multiplexage temporaire, le système d'exploitation arrête le programme d'exécution pour en démarrer un autre. Chaque fois que cette interruption, le système d'exploitation doit enregistrer tous les registres du processeur à plus tard lorsque le programme interrompu continue ses travaux, ils pourraient être restaurés. Pour améliorer la performance de la CPU, leurs développeurs ont abandonné un modèle simple, lorsque pour une horloge peut être lu, décodé, effectuée une seule commande. Les processeurs modernes ont la capacité d'effectuer plusieurs équipes en même temps. La plupart des CPU disposent de deux modes de fonctionnement: mode du noyau et mode utilisateur. Si le processeur fonctionne en mode noyau, il peut exécuter toutes les commandes de l'ensemble d'instructions et utiliser toutes les fonctionnalités de l'équipement. Le système d'exploitation fonctionne en mode noyau, fournissant un accès à tous les équipements. En revanche, les utilisateurs travaillent en mode utilisateur permettant l'exécution d'un sous-ensemble de programmes et constitue une partie accessible uniquement du matériel. Mémoire Le deuxième composant principal de tout ordinateur est la mémoire. Idéalement, la mémoire doit être aussi rapide que possible (plus rapide que le traitement d'une instruction de sorte que le fonctionnement du processeur ne ralentit pas l'appel de la mémoire est assez grand et extrêmement bon marché). Aujourd'hui, il n'y a pas de technologies qui satisfont à toutes ces exigences. Par conséquent, il y a une autre approche. Le système de mémoire est construit comme une hiérarchie des couches, illustrée à la figure 2. Comme la hiérarchie progresse de haut en bas, deux paramètres augmentent: heure d'accès, volume de la mémoire. La couche supérieure comprend des registres de processeurs internes, donc lorsque vous y accédez n'est pas surgi. Les registres internes stockent moins de 1kb d'informations. Les programmes peuvent gérer des registres sans intervention de l'équipement. L'accès aux registres est plus rapide que quelques nanosecondes. La couche suivante contient la mémoire cache, principalement contrôlée par équipement. Les zones de cache les plus fréquemment utilisées sont stockées dans un cache à grande vitesse, situés à l'intérieur du processeur central. Lorsque le programme doit lire le mot à partir de la mémoire, la puce de cache détermine s'il existe une ligne souhaitée dans le cache; Si tel est le cas, alors l'attrait productif dans le cache. La mémoire de caisse est limitée en raison de son coût élevé. Dans les machines modernes, il existe deux ou trois niveaux de cache, chacun suivant plus lentement et supérieur à celui précédent. Cachepami tailles de dizaines de kilo-octets à plusieurs mégaoctets. L'heure d'accès est un peu plus que le régime.
Figure 2 - Structure de la mémoire hiérarchique
Ensuite, la mémoire opérationnelle de la RAM doit être suivie (mémoire RAM - ACCES aléatoire ou accès aléatoire) - l'espace de travail principal du périphérique de stockage de la machine. Toutes les requêtes du processeur qui ne peuvent pas être faites CACHEMAT viennent à traiter en RAM. Volumes de centaines de mégaoctets à plusieurs gigaoctets. Heure d'accès - des dizaines de nanosecondes. Le prochain est le disque magnétique. La mémoire de disque est deux commandes de magnitude plus chère de RAM en termes de bit et de deux commandes de grandeur plus grandes. Le disque a un problème - un accès aléatoire à des données sur les données prend environ trois ordres de grandeur plus longtemps. La raison de la faible vitesse des disques durs (HDD) est que le disque est une conception mécanique. Il se compose d'une ou de plusieurs plaques de métal tournant de certaines vitesses, par exemple 7200 tr / min. Les volumes de disque se développent rapidement, en vente pour la plupart des utilisateurs, il existe des disques avec des centaines de gigaoctets. L'heure d'accès est d'au moins 10 μs. La bande magnétique est souvent utilisée pour créer des copies de sauvegarde du disque dur ou pour stocker de très grands ensembles de données. Maintenant, bien sûr, rarement, où vous pouvez rencontrer l'utilisation de bandes magnétiques, mais ils ne sont toujours pas sortis. Le niveau de bande magnétique peut également inclure des CD, des DVD et une mémoire flash. L'heure d'accès est mesurée en secondes. En plus des espèces décrites, il existe une petite quantité de mémoire permanente dans les ordinateurs. Contrairement à la RAM, il ne perd pas son contenu lorsque la puissance est éteinte. Ça s'appelle Rom ou Rom. La ROM est programmée dans le processus de production et, après cela, son contenu ne peut pas être changé. Cette mémoire est assez rapide et pas chère. Les programmes de démarrage informatique primaires utilisés au démarrage sont en ROM. De plus, certaines cartes d'E / S contiennent ROM pour contrôler les appareils de bas niveau. La vue de la mémoire, appelée CMOS, est volatile. CMOS est utilisé pour stocker les paramètres de date, de temps et de configuration actuels, tels que des instructions, à partir de quel disque dur est chargé. Cette mémoire consomme de l'énergie de la batterie installée. Dispositifs d'E / S Le système d'exploitation interagit avec les périphériques d'E / S comme avec des ressources. Les périphériques d'E / S sont généralement constitués d'un contrôleur et d'un dispositif lui-même. Contrôleur - Ensemble de microcirculits sur la carte insérés dans le connecteur, dispositif de contrôle physiquement. Il accepte les commandes du système d'exploitation (par exemple, les instructions lisent les données de l'appareil et les exécute. Le contrôle réel de l'appareil est très difficile et nécessite un niveau de détail élevé. Par conséquent, la fonction de contrôleur inclut la représentation d'une interface simple pour le système d'exploitation. La partie suivante est l'appareil lui-même. Les appareils ont suffisamment d'interfaces simples, car leurs possibilités sont petites et doivent être apportées à une norme unique. La norme unifiée est nécessaire, par exemple, que chaque contrôleur de disque IDE (électronique d'entraînement intégré) peut contrôler tout disque IDE. L'interface IDE est standard pour les disques d'ordinateurs avec processeur de Pentium, ainsi que sur d'autres ordinateurs. Étant donné que l'interface de périphérique réel est cachée à l'aide du contrôleur, le système d'exploitation ne voit que l'interface du contrôleur pouvant être très différente de l'appareil lui-même. Étant donné que tous les types de contrôleurs sont différents, ils nécessitent des logiciels différents. Un programme qui communique avec le contrôleur est le pilote de périphérique. Chaque fabricant de contrôleurs doit fournir des pilotes pour les systèmes d'exploitation pris en charge. Pour utiliser le pilote, il doit être installé dans le système d'exploitation afin qu'il puisse fonctionner en mode noyau. Il y a trois façons d'installer le pilote dans le noyau: Re-composé le noyau avec le nouveau pilote puis redémarrer le système d'exploitation (les nombreux systèmes d'exploitation UNIX fonctionnent); Créez une entrée dans le système d'exploitation du fichier, parlant que le pilote est requis, puis redémarrez le système. Pendant la démarrage initiale, le système d'exploitation lui-même trouve les pilotes nécessaires et les charge (Windows fonctionne comme celui-ci); Le système d'exploitation peut prendre de nouveaux pilotes sans interrompre le travail et les installer rapidement, sans avoir à redémarrer. Cette méthode devient de plus en plus courante. Les appareils tels que le bus USB, IEEE 1394 ont toujours besoin de pilotes téléchargeables dynamiquement. La saisie de données peut être effectuée de trois manières différentes. Le moyen le plus simple: un programme utilisateur émet une requête système que le noyau se traduit par un appel à la procédure correspondant au pilote, puis le pilote démarre le processus d'E / S. À ce stade, il effectue un cycle de programme court, polissant constamment le dispositif avec lequel cela fonctionne. À la fin des opérations d'E / S, le pilote place les données dans lesquelles il est requis et revient à son état d'origine. Ensuite, le système d'exploitation renvoie le contrôle du programme d'appel. Cette méthode attend la préparation (attente active). Il a un inconvénient: le processeur doit interroger l'appareil jusqu'à ce qu'il termine le travail. Le pilote démarre l'appareil et lui demande de délivrer des interruptions à la fin des E / S; Après cela, le conducteur renvoie la gestion du système d'exploitation et commence à effectuer d'autres tâches. Lorsque le contrôleur détecte la résiliation de la transmission de données, elle génère une interruption de l'achèvement de l'opération. Le processus d'E / S utilisant des interruptions comprend quatre étapes (Figure 3). Dans la première étape, le conducteur transmet la commande au contrôleur, enregistrant des informations sur les registres du périphérique. Ensuite, le contrôleur démarre l'appareil. Lorsque le contrôleur finit de lire ou d'enregistrer le nombre d'octets qu'il a été spécifié pour le transférer, il envoie un signal de microcircuits d'interrupteur d'interrupteur à l'aide de certains fils de bus. C'est une étape de la seconde. À la troisième étape, si le contrôleur d'interruption est prêt pour le traitement des interruptions, il donne un signal à un contact spécifique de la CPU, en l'informant de cette manière. À la quatrième étape, le contrôleur d'interruption insère le numéro de périphérique au bus, de sorte que le processeur central puisse savoir quel appareil est terminé. La méthode d'information troisième d'E / S est d'utiliser le contrôleur de mémoire direct DMA spécial (accès à la mémoire directe). DMA contrôle le champ de bataille entre la RAM et certains contrôleurs sans l'intervention du CPU. Le processeur fait référence à la puce DMA, lui indique le nombre d'octets de transmission, ainsi que l'adresse du périphérique et de la mémoire, la direction du transfert de données. À la fin de la DMA, il initie une interruption traitée par l'ordre habituel.
Figure 3 - Actions effectuées lors du démarrage du périphérique d'E / S et d'obtenir des interruptions
Pneus En raison de l'augmentation de la performance du processeur et de la mémoire, des pneus supplémentaires ont été ajoutés au système pour accélérer la communication des périphériques d'E / S et envoyer des données entre le processeur et la mémoire. La figure 4 montre le schéma du système informatique du premier Pentium. Dans ce système 8 pneus (pneu de cache, bus local, bus de mémoire, PCI, SCSI, USB, IDE, ISA), chacun avec son taux de transfert de données et ses fonctions. Dans le système d'exploitation de gestion de l'ordinateur, les informations doivent être des informations sur tous ces pneus. Le processeur central sur le bus local transmet les données du microcircuit PC, qui fait à son tour référence à la mémoire par le pneu dédié. Le système Pentium I dispose d'un cache de premier niveau (L1) intégré au processeur et au cache de seconde niveau (L2), connecté au processeur d'un bus de cache distinct. Le bus IDE est utilisé pour attacher des périphériques périphériques au système (CD-ROM, disque dur).
Figure 4 - Structure du système Pentium
Le bus USB (bus série universel) est conçu pour joindre des périphériques d'E / S supplémentaires, tels que le clavier, la souris, l'imprimante, la mémoire flash, etc. Au fil du temps, de nouveaux pneus plus rapides apparaissent et ajoutés.
Brève introduction aux systèmes d'exploitation. Didacticiel Peter empilé (Pas de notation non)
 Nom: Brève introduction aux systèmes d'exploitation. Didacticiel
À propos du livre Peter Stachuk "Brève introduction aux systèmes d'exploitation. Didacticiel"
L'utilisation de la technologie informatique ne peut être efficace sans connaître le logiciel moderne, dont la base est la base des systèmes d'exploitation et de leurs coquilles. Étudier le cours théorique proposé, les étudiants devraient recevoir une idée des possibilités des systèmes d'exploitation, de leur structure, de leur structure, des principes d'organisation et de fonctionnement, des règles de configuration, etc. Utilisation du manuel permettront aux étudiants d'acquérir une connaissance des systèmes d'exploitation modernes à la Niveau d'un utilisateur qualifié et aidera à consolider les compétences pratiques d'utilisation du logiciel moderne tout en étudiant et dans des activités professionnelles.
Pour les étudiants, les étudiants diplômés, les enseignants d'universités.
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Citations du livre Peter Stachuk "Brève introduction aux systèmes d'exploitation. Didacticiel"
Gestion des ressources informatiques de base (processeurs, mémoire, périphériques externes), caractéristiques des méthodes de conception utilisés, types de plates-formes matérielles, applications.
OS Protège l'utilisateur des travaux directs avec l'équipement informatique et la fournit avec une interface simple, résoudre indépendamment des problèmes de gestion du matériel de bas niveau.
Le système d'exploitation est un ensemble de programmes qui fournissent une gestion de données et d'exécuter des programmes d'utilisateurs qui coordonnent la distribution des ressources informatiques et en soutenant l'interaction avec les utilisateurs.
Les premiers systèmes de traitement du système d'exploitation (moniteurs résidents).
Le système informatique (Sun) est un complexe de techniciens et de logiciels, conçus pour automatiser la solution des tâches d'informations utilisateur.
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A. Yu. Krucchinin
Système d'exploitation1 Informations initiales sur les systèmes d'exploitation1.1 Nomination et fonction des systèmes d'exploitationLe système d'exploitation informatique est un complexe de programmes interconnectés qui sert d'interface entre applications et utilisateurs d'un côté et équipement informatique de l'autre côté. Le système d'exploitation effectue deux groupes de fonctions:
Fournit un utilisateur ou un programmeur au lieu de l'instrument informatique réel d'une machine virtuelle étendue;
Augmente l'efficacité de l'utilisation d'un ordinateur par la gestion rationnelle de ses ressources conformément à certains critères.
En règle générale, l'utilisateur ne s'intéresse pas aux composants du périphérique matériel informatique, il lui semble comme un ensemble d'applications pouvant être écrites dans l'une des langues de programmation. Le système d'exploitation fournit un programmeur plusieurs fonctionnalités pouvant utiliser des programmes utilisant des commandes spéciales appelées défis du système. Par conséquent, l'application logicielle comprend de nombreux appels système requis, par exemple, de travailler avec des fichiers. Le système d'exploitation se cache du programmateur des détails matériels et fournit une interface pratique pour le système d'environnement d'exploitation.
Dans le même temps, le système d'exploitation agit en tant que gestionnaire de ressources. Conformément à cette approche, le fonctionnement du système d'exploitation consiste à fournir une distribution organisée et contrôlée des processeurs, de la mémoire et des périphériques d'E / S entre différents programmes. L'exploitation du système d'exploitation présente les caractéristiques suivantes:
Les fonctions du système d'exploitation fonctionnent de la même manière que le reste du logiciel - sont mises en œuvre comme des programmes individuels ou un ensemble de programmes, processus exécutables;
Le système d'exploitation devrait transmettre le contrôle d'autres processus et s'attendre à ce que le processeur alloue à nouveau le temps de remplir ses fonctions.
La gestion des ressources comprend la résolution des tâches communes suivantes - indépendante de la ressource:
La planification des ressources - c'est-à-dire la définition du processus, quand et quelle quantité (si la ressource peut être attribuée par des pièces) devrait être attribuée à cette ressource;
Satisfaction des demandes de ressources;
Condition de suivi et comptabilisation de l'utilisation de la ressource - qui consiste à maintenir des informations opérationnelles sur la question de savoir si la ressource est occupée ou est gratuite et quelle part de la ressource est déjà distribuée;
Résolution des conflits entre les processus.
La gestion des ressources comprend leur multiplexage (distribution) de deux manières: dans le temps et dans l'espace. Lorsque la ressource est distribuée au fil du temps, divers utilisateurs et programmes l'utilisent à son tour. Au début, l'un d'entre eux a accès à l'utilisation de la ressource, puis une autre, etc. Par exemple, plusieurs programmes veulent contacter le processeur central. Dans cette situation, le système d'exploitation permet d'abord l'accès au processeur avec un programme, puis, après avoir fonctionné suffisamment de temps, un autre programme, puis à nouveau et finalement. La définition de la durée de la durée de laquelle la ressource sera utilisée à temps qui sera les suivantes et pour quelle heure il est fourni par la ressource est la tâche du système d'exploitation. Un autre type de distribution est le multiplexage spatial. Au lieu d'alterner le travail, chaque client reçoit une partie de la ressource. Habituellement, la RAM est divisée entre plusieurs programmes de fonctionnement, de sorte que tous peuvent être constamment en mémoire (par exemple, à l'aide du processeur central à leur tour). Si nous supposons que la mémoire suffit à stocker plusieurs programmes, placez plus efficacement plusieurs programmes en mémoire que d'allouer toute la mémoire d'un programme, en particulier si elle n'a besoin que d'une petite partie de la mémoire disponible. Bien sûr, il existe des problèmes de répartition équitable, de protection de la mémoire, etc., et il existe un système d'exploitation pour résoudre ces problèmes.
1.2 Historique du développement des systèmes d'exploitationHabituellement, l'histoire du développement des systèmes d'exploitation est associée à l'historique du développement des ordinateurs. La première idée de l'ordinateur a été proposée par les mathématiques anglais Charles Babbage au milieu du XIXe siècle. Ils ont développé la soi-disant "machine analytique" mécanique, quelle vérité n'a pas fonctionné correctement. Voici la génération d'ordinateurs et de leur connexion avec les systèmes d'exploitation.
Première génération 1945-1955
Les ordinateurs étaient composés de lampes électroniques et de panneaux de branchement. La réalisation la plus élevée est la libération de performances cardiaques. Fabriqué à partir de carton fin, le carton représente des informations par la présence ou l'absence de trous dans certaines positions de la carte. Le système d'exploitation est manquant.
Deuxième génération 1955-1965
Base de transistors ordinateurs et de systèmes de traitement par lots. Caractérisé par des ponts. Perfocar et dispositifs pour enregistrer des bandes magnétiques. Principalement programmé en Fortran et Assembleur pour le système de surveillance de la Fortran (FMS) et du système d'exploitation IBSYS.
Troisième génération 1965-1980
La période est caractérisée par l'apparition de circuits intégrés, ainsi que de multitâche ou, comme il s'appelle le multiprogramme différent. IBM fabrique diverses séries de machines commençant par IBM / 360. Pour eux, le système d'exploitation OS / 360 a été écrit, qui était environ 1000 fois plus élevé que la deuxième génération FMS. À ce stade, une mise en œuvre industrielle de multitâche est une méthode d'organisation d'un processus de calcul, dans laquelle plusieurs programmes de la mémoire de l'ordinateur sont mis en œuvre simultanément sur un processeur.
Autres systèmes d'exploitation bien connus de cette période CTSS (système de séparation de temps compatible) et multicomanes (informations multiplex et informatique), destiné à fournir un accès immédiatement à des centaines d'utilisateurs à une machine. Le développement ultérieur de ce système a augmenté à UNIX.
Quatrième génération des années 1980
Cette période est associée à l'émergence de grands circuits intégrés. En 1974, Intel a publié le premier processeur Intel 8080 universel 8 bits. Au début des années 80, IBM a développé un ordinateur IBM - un ordinateur personnel. Dans le même temps, la première version de MS-DOS apparaît. Tous les systèmes d'exploitation développés jusqu'à ce point ne concernaient que le mode de communication de texte avec l'utilisateur.
La première tentative de faire une interface graphique amicale a été mise en œuvre sur Apple Macintosh. Sous l'influence de son succès, Microsoft fournit une coque graphique pour MS-DOS - Windows. Et depuis 1995, Windows 95 a été publié, qui est devenu un système autonome. À l'avenir, sur la base de Windows 95 et d'un autre système Windows NT, les systèmes d'exploitation existants ont actuellement été développés - Windows 2000, XP, Vista et autres.
1.3 Classification des systèmes d'exploitationIl y a beaucoup de systèmes d'exploitation et tous ne sont pas connus. Les sections suivantes de divers systèmes d'exploitation au niveau du grand à petit sont considérées.
Systèmes d'exploitation Mainfreum
Le mainframe est un ordinateur hautes performances d'usage général avec une quantité importante de mémoire opérationnelle et externe, conçue pour effectuer des opérations informatiques intensives. Ce sont généralement des ordinateurs de taille avec une pièce et leur découverte - dans de grandes entreprises. Habituellement, les ordinateurs centraux contiennent des milliers de disques et de téraoctets de RAM.
Les systèmes d'exploitation centrale sont principalement axés sur le traitement de nombreuses tâches simultanées, dont la plupart nécessitent une énorme quantité d'opérations d'E / S. Le système doit répondre à des milliers de demandes par seconde. Un exemple est OS / 390, qui s'est produit à partir du système d'exploitation de la 3e génération OS / 360.
Systèmes d'exploitation du serveur
Ces systèmes d'exploitation fonctionnent sur des serveurs qui représentent un ordinateur personnel, un poste de travail ou même un ordinateur central. Les serveurs permettent de travailler avec des périphériques d'impression, des fichiers ou Internet. Ces systèmes d'exploitation incluent UNIX, Linux, Windows 2003 Server, etc.
Systèmes d'exploitation multiprocesseur
Ces systèmes sont appliqués sur des ordinateurs avec plusieurs processeurs centraux. Ils nécessitent des systèmes d'exploitation spéciaux, mais ils sont généralement des modifications des systèmes d'exploitation du serveur.
Systèmes d'exploitation pour ordinateurs personnels
Le critère principal de ces systèmes est une interface pratique pour un utilisateur. Les systèmes les plus célèbres: Windows 98, 2000, XP, série Vista; Macintosh, Linux.
Systèmes d'exploitation en temps réel
Le paramètre principal de ces systèmes est le temps. Dans les systèmes de gestion des processus industriels, il est nécessaire de synchroniser clairement le temps de fonctionnement du convoyeur, divers robots industriels. Ceci est un système rigide en temps réel. Il existe des systèmes en temps réel flexibles - il existe des laissez-passer admissibles du fonctionnement de l'opération, tels que des systèmes multimédia. Les systèmes d'exploitation en temps réel comprennent VXWorks et QNX.
Systèmes d'exploitation intégrés
Celles-ci incluent des systèmes d'exploitation de «ordinateurs de poche» PDA (assistant numérique personnel - assistant numérique personnel). De plus, des systèmes embarqués fonctionnent sur des voitures, des téléviseurs, des téléphones mobiles. Dans ces systèmes d'exploitation, toutes les caractéristiques des systèmes d'exploitation en temps réel sont généralement présentes avec la restriction de la mémoire, la puissance, etc. Exemples de systèmes - Palmos, Windows CE.
Systèmes d'exploitation pour cartes à puce
Carte à puce - un appareil avec une taille de carte de crédit contenant un processeur central. Ces systèmes sont soumis à des limites dures pour la puissance et la mémoire. Certaines ne gèrent qu'avec une opération - paiement électronique par exemple. Les cartes à puce séparées incluent le support de la machine virtuelle Java.
1.4 Vue d'ensemble du matériel informatiqueLe système d'exploitation est étroitement lié à l'équipement informatique sur lequel il devrait fonctionner. Le matériel affecte l'ensemble des commandes du système d'exploitation et la gestion de ses ressources. L'ordinateur conceptuellement simple peut être représenté comme un modèle illustré à la figure 1. Cette structure a été utilisée dans les premiers modèles IBM PC.
Figure 1 - Quelques composantes d'un ordinateur personnel
Sur la figure, le processeur central, la mémoire, les périphériques d'E / S sont connectés par le bus système sur lequel ils échangent des informations.
CPU
Le cerveau de l'ordinateur est le processeur central (unité de traitement central de la CPU). Il choisit l'équipe de la mémoire et les exécute. Le cycle d'opération de processeur habituel ressemble à ceci: la première commande de la mémoire est lue, décodée pour déterminer son type et ses opérandes, exécute la commande, puis se lit, décode les commandes suivantes. Ainsi, les programmes sont exécutés.
Pour chaque processeur, il existe un ensemble de commandes qu'il est capable d'exécuter. Étant donné que l'accès à la mémoire pour obtenir des commandes ou un ensemble de données prend beaucoup plus de temps que l'exécution de ces commandes, tous les processeurs contiennent des registres de stockage internes pour stocker des variables et des résultats intermédiaires. Par conséquent, l'ensemble des instructions contient généralement des commandes pour télécharger un mot à partir de la mémoire pour enregistrer et préserver le mot à partir du registre en mémoire. Outre les principaux registres utilisés pour stocker des variables, la plupart des processeurs ont plusieurs registres spéciaux utilisés pour stocker des variables, ainsi que des registres spéciaux visibles aux programmeurs.
Avec un processeur de multiplexage temporaire, le système d'exploitation arrête le programme d'exécution pour en démarrer un autre. Chaque fois que cette interruption, le système d'exploitation doit enregistrer tous les registres du processeur à plus tard lorsque le programme interrompu continue ses travaux, ils pourraient être restaurés.
Pour améliorer la performance de la CPU, leurs développeurs ont abandonné un modèle simple, lorsque pour une horloge peut être lu, décodé, effectuée une seule commande. Les processeurs modernes ont la capacité d'effectuer plusieurs équipes en même temps.
La plupart des CPU disposent de deux modes de fonctionnement: mode du noyau et mode utilisateur. Si le processeur fonctionne en mode noyau, il peut exécuter toutes les commandes de l'ensemble d'instructions et utiliser toutes les fonctionnalités de l'équipement. Le système d'exploitation fonctionne en mode noyau, fournissant un accès à tous les équipements. En revanche, les utilisateurs travaillent en mode utilisateur permettant l'exécution d'un sous-ensemble de programmes et constitue une partie accessible uniquement du matériel.
Mémoire
Le deuxième composant principal de tout ordinateur est la mémoire. Idéalement, la mémoire doit être aussi rapide que possible (plus rapide que le traitement d'une instruction de sorte que le fonctionnement du processeur ne ralentit pas l'appel de la mémoire est assez grand et extrêmement bon marché). Aujourd'hui, il n'y a pas de technologies qui satisfont à toutes ces exigences. Par conséquent, il y a une autre approche.
Le système de mémoire est construit comme une hiérarchie des couches, illustrée à la figure 2. Comme la hiérarchie progresse de haut en bas, deux paramètres augmentent: heure d'accès, volume de la mémoire.
La couche supérieure comprend des registres de processeurs internes, donc lorsque vous y accédez n'est pas surgi. Les registres internes stockent moins de 1kb d'informations. Les programmes peuvent gérer des registres sans intervention de l'équipement. L'accès aux registres est plus rapide que quelques nanosecondes.
La couche suivante contient la mémoire cache, principalement contrôlée par équipement. Les zones de cache les plus fréquemment utilisées sont stockées dans un cache à grande vitesse, situés à l'intérieur du processeur central. Lorsque le programme doit lire le mot à partir de la mémoire, la puce de cache détermine s'il existe une ligne souhaitée dans le cache; Si tel est le cas, alors l'attrait productif dans le cache. La mémoire de caisse est limitée en raison de son coût élevé. Dans les machines modernes, il existe deux ou trois niveaux de cache, chacun suivant plus lentement et supérieur à celui précédent. Cachepami tailles de dizaines de kilo-octets à plusieurs mégaoctets. L'heure d'accès est un peu plus que le régime.
Figure 2 - Structure de la mémoire hiérarchique
Ensuite, la mémoire opérationnelle de la RAM doit être suivie (mémoire RAM - ACCES aléatoire ou accès aléatoire) - l'espace de travail principal du périphérique de stockage de la machine. Toutes les requêtes du processeur qui ne peuvent pas être faites CACHEMAT viennent à traiter en RAM. Volumes de centaines de mégaoctets à plusieurs gigaoctets. Heure d'accès - des dizaines de nanosecondes.
Le prochain est le disque magnétique. La mémoire de disque est deux commandes de magnitude plus chère de RAM en termes de bit et de deux commandes de grandeur plus grandes. Le disque a un problème - un accès aléatoire à des données sur les données prend environ trois ordres de grandeur plus longtemps. La raison de la faible vitesse des disques durs (HDD) est que le disque est une conception mécanique. Il se compose d'une ou de plusieurs plaques de métal tournant de certaines vitesses, par exemple 7200 tr / min. Les volumes de disque se développent rapidement, en vente pour la plupart des utilisateurs, il existe des disques avec des centaines de gigaoctets. L'heure d'accès est d'au moins 10 μs.
La bande magnétique est souvent utilisée pour créer des copies de sauvegarde du disque dur ou pour stocker de très grands ensembles de données. Maintenant, bien sûr, rarement, où vous pouvez rencontrer l'utilisation de bandes magnétiques, mais ils ne sont toujours pas sortis. Le niveau de bande magnétique peut également inclure des CD, des DVD et une mémoire flash. L'heure d'accès est mesurée en secondes.
En plus des espèces décrites, il existe une petite quantité de mémoire permanente dans les ordinateurs. Contrairement à la RAM, il ne perd pas son contenu lorsque la puissance est éteinte. Ça s'appelle Rom ou Rom. La ROM est programmée dans le processus de production et, après cela, son contenu ne peut pas être changé. Cette mémoire est assez rapide et pas chère. Les programmes de démarrage informatique primaires utilisés au démarrage sont en ROM. De plus, certaines cartes d'E / S contiennent ROM pour contrôler les appareils de bas niveau. La vue de la mémoire, appelée CMOS, est volatile. CMOS est utilisé pour stocker les paramètres de date, de temps et de configuration actuels, tels que des instructions, à partir de quel disque dur est chargé. Cette mémoire consomme de l'énergie de la batterie installée.
Dispositifs d'E / S
Le système d'exploitation interagit avec les périphériques d'E / S comme avec des ressources. Les périphériques d'E / S sont généralement constitués d'un contrôleur et d'un dispositif lui-même.
Contrôleur - Ensemble de microcirculits sur la carte insérés dans le connecteur, dispositif de contrôle physiquement. Il accepte les commandes du système d'exploitation (par exemple, les instructions lisent les données de l'appareil et les exécute. Le contrôle réel de l'appareil est très difficile et nécessite un niveau de détail élevé. Par conséquent, la fonction de contrôleur inclut la représentation d'une interface simple pour le système d'exploitation.
La partie suivante est l'appareil lui-même. Les appareils ont suffisamment d'interfaces simples, car leurs possibilités sont petites et doivent être apportées à une norme unique. La norme unifiée est nécessaire, par exemple, que chaque contrôleur de disque IDE (électronique d'entraînement intégré) peut contrôler tout disque IDE. L'interface IDE est standard pour les disques d'ordinateurs avec processeur de Pentium, ainsi que sur d'autres ordinateurs. Étant donné que l'interface de périphérique réel est cachée à l'aide du contrôleur, le système d'exploitation ne voit que l'interface du contrôleur pouvant être très différente de l'appareil lui-même.
Étant donné que tous les types de contrôleurs sont différents, ils nécessitent des logiciels différents. Un programme qui communique avec le contrôleur est le pilote de périphérique. Chaque fabricant de contrôleurs doit fournir des pilotes pour les systèmes d'exploitation pris en charge. Pour utiliser le pilote, il doit être installé dans le système d'exploitation afin qu'il puisse fonctionner en mode noyau. Il y a trois façons d'installer le pilote dans le noyau:
Re-composé le noyau avec le nouveau pilote puis redémarrer le système d'exploitation (les nombreux systèmes d'exploitation UNIX fonctionnent);
Créez une entrée dans le système d'exploitation du fichier, parlant que le pilote est requis, puis redémarrez le système. Pendant la démarrage initiale, le système d'exploitation lui-même trouve les pilotes nécessaires et les charge (Windows fonctionne comme celui-ci);
Le système d'exploitation peut prendre de nouveaux pilotes sans interrompre le travail et les installer rapidement, sans avoir à redémarrer. Cette méthode devient de plus en plus courante. Les appareils tels que le bus USB, IEEE 1394 ont toujours besoin de pilotes téléchargeables dynamiquement.
La saisie de données peut être effectuée de trois manières différentes.
Le moyen le plus simple: un programme utilisateur émet une requête système que le noyau se traduit par un appel à la procédure correspondant au pilote, puis le pilote démarre le processus d'E / S. À ce stade, il effectue un cycle de programme court, polissant constamment le dispositif avec lequel cela fonctionne. À la fin des opérations d'E / S, le pilote place les données dans lesquelles il est requis et revient à son état d'origine. Ensuite, le système d'exploitation renvoie le contrôle du programme d'appel. Cette méthode attend la préparation (attente active). Il a un inconvénient: le processeur doit interroger l'appareil jusqu'à ce qu'il termine le travail.
Le pilote démarre l'appareil et lui demande de délivrer des interruptions à la fin des E / S; Après cela, le conducteur renvoie la gestion du système d'exploitation et commence à effectuer d'autres tâches. Lorsque le contrôleur détecte la résiliation de la transmission de données, elle génère une interruption de l'achèvement de l'opération. Le processus d'E / S utilisant des interruptions comprend quatre étapes (Figure 3). Dans la première étape, le conducteur transmet la commande au contrôleur, enregistrant des informations sur les registres du périphérique. Ensuite, le contrôleur démarre l'appareil. Lorsque le contrôleur finit de lire ou d'enregistrer le nombre d'octets qu'il a été spécifié pour le transférer, il envoie un signal de microcircuits d'interrupteur d'interrupteur à l'aide de certains fils de bus. C'est une étape de la seconde. À la troisième étape, si le contrôleur d'interruption est prêt pour le traitement des interruptions, il donne un signal à un contact spécifique de la CPU, en l'informant de cette manière. À la quatrième étape, le contrôleur d'interruption insère le numéro de périphérique au bus, de sorte que le processeur central puisse savoir quel appareil est terminé.
La méthode d'information troisième d'E / S est d'utiliser le contrôleur de mémoire direct DMA spécial (accès à la mémoire directe). DMA contrôle le champ de bataille entre la RAM et certains contrôleurs sans l'intervention du CPU. Le processeur fait référence à la puce DMA, lui indique le nombre d'octets de transmission, ainsi que l'adresse du périphérique et de la mémoire, la direction du transfert de données. À la fin de la DMA, il initie une interruption traitée par l'ordre habituel.
Figure 3 - Actions effectuées lors du démarrage du périphérique d'E / S et d'obtenir des interruptions
Pneus
En raison de l'augmentation de la performance du processeur et de la mémoire, des pneus supplémentaires ont été ajoutés au système pour accélérer la communication des périphériques d'E / S et envoyer des données entre le processeur et la mémoire. La figure 4 montre le schéma du système informatique du premier Pentium.
Dans ce système 8 pneus (pneu de cache, bus local, bus de mémoire, PCI, SCSI, USB, IDE, ISA), chacun avec son taux de transfert de données et ses fonctions. Dans le système d'exploitation de gestion de l'ordinateur, les informations doivent être des informations sur tous ces pneus.
Le processeur central sur le bus local transmet les données du microcircuit PC, qui fait à son tour référence à la mémoire par le pneu dédié. Le système Pentium I dispose d'un cache de premier niveau (L1) intégré au processeur et au cache de seconde niveau (L2), connecté au processeur d'un bus de cache distinct. Le bus IDE est utilisé pour attacher des périphériques périphériques au système (CD-ROM, disque dur).
Figure 4 - Structure du système Pentium
Le bus USB (bus série universel) est conçu pour joindre des périphériques d'E / S supplémentaires, tels que le clavier, la souris, l'imprimante, la mémoire flash, etc. Au fil du temps, de nouveaux pneus plus rapides apparaissent et ajoutés.
Andrew Tannbaum présente une nouvelle édition de son best-seller mondial, nécessaire pour comprendre le fonctionnement des systèmes d'exploitation modernes. Il diffère de manière significative de la précédente et comprend des informations sur les dernières réalisations dans le domaine des technologies de l'information. Par exemple, le chapitre sur Windows Vista est maintenant remplacé par une prise en compte détaillée de Windows 8.1 comme la version la plus pertinente au moment de la rédaction d'un livre. Il existe une section surround dédiée au système d'exploitation Android. Le matériau relatif à Unix et Linux, ainsi que des systèmes RAID. Une attention particulière est une attention particulière aux systèmes multidiculaires et multicœurs, dont l'importance de l'augmentation constante au cours des dernières années. Un nouveau nouveau chapitre sur la virtualisation et l'informatique en nuage sont apparus. Une grande quantité de nouveaux matériaux a été ajouté à l'utilisation des erreurs de code, des programmes malveillants et des mesures de protection connexes. Le livre d'une forme claire et fascinante contient de nombreux détails importants qui ne sont dans aucune autre édition. Système d'exploitation en tant que machine étendue.
L'architecture de la plupart des ordinateurs (système de commande, organisation de la mémoire, saisie de données et structure de pneumatiques) au niveau de la machine est trop primitive et inconfortable à utiliser dans des programmes, il est particulièrement vrai pour les systèmes d'E / S. Pour traduire la conversation dans une direction spécifique, envisagez des disques durs SATA modernes (série ATA) utilisée sur la plupart des ordinateurs. Le livre publié par la maison d'édition Anderson en 2007 et contenant une description de l'interface de disque que les programmeurs auraient dû être examinés pour utiliser le disque, contenus sur 450 pages. Après cela, l'interface a été révisée à plusieurs reprises et est devenue encore plus difficile qu'en 2007. Il est clair qu'aucun programmeur Zerivensing ne veut traiter d'un tel disque au niveau du matériel. Au lieu de cela, l'équipement est engagé dans la partie du logiciel qui s'appelle le pilote de disque et fournit, sans entrer dans les détails, l'interface pour la lecture et l'écriture de blocs de disque. Les systèmes d'exploitation contiennent plusieurs pilotes pour contrôler les périphériques d'E / S. Mais pour la plupart des applications est trop faible, même ce niveau est. Par conséquent, tous les systèmes d'exploitation fournissent un autre niveau d'abstraction pour utiliser des disques - des fichiers. Utilisation de cette abstraction, les programmes peuvent créer, écrire et lire des fichiers, pas ravir les détails du fonctionnement réel de l'équipement. Contenu
Préface
Chapitre 1 Introduction
Chapitre 2. Processus et flux
Chapitre 3. Gestion de la mémoire
Chapitre 4. Systèmes de fichiers
Chapitre 5. Entrez et publiez des informations
Chapitre 6. Interlocking
Chapitre 7. Virtualisation et nuage
Chapitre 8. Systèmes multiprocesseurs
Chapitre 9. Sécurité
Chapitre 10. Étude d'exemples spécifiques: Unix, Linux et Android
Chapitre 11. Étude d'exemples spécifiques: Windows 8
Chapitre 12. Développement de systèmes d'exploitation
Chapitre 13. Bibliographie. Télécharger gratuitement e-book dans un format pratique, voir et lire:
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